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芯片的定義和分類

射頻學堂 ? 來源:鮮棗課堂 ? 2023-12-07 11:15 ? 次閱讀

我們在日常工作和生活中,經(jīng)常會使用到各種各樣的電子或電器產(chǎn)品,例如電腦、手機、電視、冰箱、洗衣機等。

這些產(chǎn)品,如果我們把它拆開,都會看到類似下面這樣的一塊綠色板子。

大家都知道,這個綠色板子,叫做電路板。更官方一點的名稱,叫印制電路板,也就是PCB(Printed Circuit Board,國外有時候也叫PWB,Printed Wire Board)。

在PCB上,焊接了很多的電子元器件,例如電容、電阻、電感等。

我們還可以看到,有一些黑色的方形元件。

沒錯,這個元件,很可能就是一塊芯片(英文名叫做chip)。

芯片的定義

芯片,其實是一個比較籠統(tǒng)的叫法。

對于電子設(shè)備來說,它藏在內(nèi)部,又非常重要,相當于汽車的發(fā)動機、人的心臟,所以叫“芯”。從形態(tài)來看,它是一片一片的,所以叫“片”。合起來,就是“芯片”。

通常來說,芯片就是集成電路(integrated circuit)。兩者之間可以劃等號,互相換用。

集成電路是比較容易定義的。通過特定技術(shù),將晶體管、電阻、電容、二極管等電子元件集成在單一基板上,形成一種微型電路,就叫集成電路。

如果這個基板,采用的是半導體材料(例如硅),或者說,集成電路由半導體材料晶圓制造而來,就屬于半導體集成電路。

我們傳統(tǒng)意義上說的集成電路,基本上都是指半導體集成電路。所有,有時候半導體、芯片、集成電路三個詞,也經(jīng)?;煊谩?/p>

如果細摳的話,芯片和集成電路也還是有一些區(qū)別的。

部分行業(yè)觀點認為:

集成電路是電路,是基礎(chǔ)單元,主要強調(diào)實現(xiàn)某一功能,例如某一邏輯運算。在電路設(shè)計等場景,會更多用到這個叫法。

而芯片,是一個更宏觀、更產(chǎn)品化的概念。經(jīng)過設(shè)計、制造、封裝和測試后,形成的可直接使用的產(chǎn)品形態(tài),被認為是芯片。在強調(diào)用途的時候,人們會更多采用“芯片”的叫法,例如CPU芯片、AI芯片、基帶芯片等。

也有人將芯片定義為:“包含了一個或多個集成電路的、能夠?qū)崿F(xiàn)某種特定功能的通用半導體元件產(chǎn)品”?;蛘哒f,芯片是半導體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱。

相比之下,半導體和集成電路的區(qū)別,更清晰一些:

半導體包括:集成電路+分立器件+光電子器件+傳感器。

集成電路和另外三個的主要區(qū)別,在于集成度。集成電路的晶體管數(shù)量,遠遠大于分立器件、光電子器件和傳感器。另外,襯底材料一般也不一樣。

目前,光電子器件,分立器件和傳感器的市場規(guī)模加在一起,也僅占到全部半導體市場規(guī)模的10%左右。

所以,我們可以說:集成電路是半導體的最重要組成部分。

芯片的分類

芯片是一套實現(xiàn)特定功能的電路。它具有模塊化的特點,可以方便廠商快速地進行產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā),降低開發(fā)難度,縮短開發(fā)周期。

幾十年來,半導體工藝在摩爾定律的指引下飛速發(fā)展,芯片的尺寸越來越小,里面容納的電路越來越多,使得電子產(chǎn)品的體積、成本以及功耗大幅下降。

它不僅改善了我們的生活品質(zhì),也引領(lǐng)了信息技術(shù)革命,推動了整個人類文明的進步。

如今,芯片形成了非常廣泛的應(yīng)用,也衍生出了很多類別。

世界半導體貿(mào)易統(tǒng)計組織(World Semiconductor Trade Statistics,WSTS)的分類方式較為權(quán)威、官方。他們將所有集成電路類別,分為:模擬Analog)、微型(Micro)、邏輯(Logic)和存儲器(Memory)。

非官方層面,分類就比較隨意。

按照功能,我們經(jīng)常將芯片分為:計算芯片、存儲芯片、通信芯片、感知芯片、能源芯片、接口芯片。

我們比較熟悉的芯片類型,有以下幾種:

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按照等級,芯片又可以分為消費級、工業(yè)級、汽車級、軍工級和航天級等。按照設(shè)計理念,還可以分為通用芯片(CPU、GPU等)、專用芯片(AISC)。

我們還可以按照工藝制程來分,例如大家經(jīng)常聽說的28nm、14nm、7nm、5nm?;蛘撸凑瞻雽w材料來分,例如硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)等。這些我們在后面講芯片制造流程時,都會再介紹。

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事實上,現(xiàn)在我們除了電芯片之外,還發(fā)展出了光芯片(例如硅光技術(shù)),用光來代替電流來傳遞信號。

站在集成電路的角度,還有很多種分類。

按制作工藝,集成電路可以分為半導體集成電路和膜集成電路(膜集成電路用的是金屬和陶瓷等)。膜集成電路又分為厚膜(thick-film)集成電路和薄膜(thin-film)集成電路。

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按照電路屬性,我們還可以分為數(shù)字集成電路、模擬集成電路和混合信號集成電路。

數(shù)字集成電路,顧名思義,處理的都是數(shù)字信號。它在我們身邊出現(xiàn)得最多,例如微處理器(CPU、GPU等)、數(shù)字信號處理器DSP)和微控制器MCU)等,都是數(shù)字集成電路。

模擬集成電路,較多用于傳感器、電源芯片、運放等,主要用于模擬信號的放大、濾波、解調(diào)、混頻等功能。

混合信號集成電路,是模擬和數(shù)字電路集成在一個芯片上。大家應(yīng)該能猜到,模數(shù)(ADC)和數(shù)模(DAC)轉(zhuǎn)換芯片,就屬于這類。

按照芯片上所集成的微電子器件的數(shù)量(規(guī)模),集成電路可以分為以下幾類:

wKgZomVxOTWAeSDcAAMcwgN6KPU611.png

更專業(yè)一點,按導電類型,集成電路還可以分為雙極型集成電路和單極型集成電路。

雙極型集成電路的制作工藝復雜,功耗較大,代表集成電路有TTL、 ECL、HTL、LST-TL、STTL等類型。

單極型集成電路的制作工藝簡單,功耗也較低,易于制成大規(guī)模集成電路,代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等。

上面這些名詞,后續(xù)小棗君在介紹芯片的工作原理時,都會詳細解釋。

芯片的內(nèi)部構(gòu)造

前面我們提到,芯片看上去都是黑色方片狀。

有時候,它還會有銀色的金屬蓋板(加強保護,也利于散熱)。例如我們的CPU:

芯片是經(jīng)過封裝(芯片制造流程的一道工序)之后,才變成了這樣。

我們把“殼”拿掉,才能真正看到芯片的內(nèi)部核心。用顯微鏡放大來看,是這樣的:

外圍一圈,是引腳(針腳)。細細的線,是引線。中間方形的部分,才是芯片真正的電路。

如果繼續(xù)放大來看,是這樣的:

換成3D效果,是這樣的:

沒錯,都是立體的,有很多很多層,密密麻麻,就像一個超級迷宮,也像一座未來城市。

一根一根的,都是連線。而它們連接的對象,就是晶體管。

芯片中晶體管的數(shù)量,通常代表了這個芯片的能力。晶體管越多,電路就越多,功能和算力就更強。現(xiàn)在很多廠商發(fā)布芯片,總是會強調(diào)芯片里面擁有多少多少晶體管,就是這個意思。

芯片有簡單的(相對來說),也有復雜的。一些復雜的芯片,還會分為各個不同的功能模塊。這些模塊共同組成一個系統(tǒng),就變成了SoC(System on Chip,片上系統(tǒng),系統(tǒng)級芯片)。

我們的手機主芯片,例如高通驍龍、聯(lián)發(fā)科天璣、華為麒麟,都是典型的SoC芯片。芯片上包括了CPU、GPU、APU、ISP、基帶、射頻,等等。

那么,問題來了,芯片里面的晶體管,為什么能夠完成計算、存儲等五花八門的工作?

我們常說的邏輯門、MOSFET、FinFET、PN結(jié),又是啥意思呢?

審核編輯:湯梓紅
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原文標題:超級簡單明了的半導體技術(shù)科普

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